Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho tay máy 3 bậc tự do
Tổng quan về tay máy và robot công nghiệp, là robot ba bậc
tự do, lý thuyết về điều khiển mờ. Tính toán và thiết kế bộ điều khiển
kinh điển PID cho hệ dẫn động của tay máy ba bậc tự do, nghiên cứu
thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định các tham số bộ điều khiển PID để
điều khiển quá trình chuyển động của tay máy di chuyển trong quỹ
đạo đặt trước. Thiết kế chương trình mô phỏng trên simulink cho các
kết quả quỹ đạo, sai lệch quỹ đạo, sai lệch tốc độ, tốc độ, và sai lệch
quỹ động tổng của tay máy có kết quả đáp ứng tốt. Với các kết quả
này giúp cho việc khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh nâng cao chất
lượng hệ thống điều khiển cánh tay robot được tốt hơn.
26 trang |
Chia sẻ: lylyngoc | Lượt xem: 6054 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho tay máy 3 bậc tự do, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRẦN DỖN TƯỜNG MINH
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ
CHO TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO
Chuyên ngành : Tự động hĩa
Mã số : 60.52.60
TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - 2011
- 1 -
Cơng trình được hồn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HỒNG MAI
Phản biện 1 : PGS.TS. Nguyễn Dỗn Bình
Phản biện 2 : TS. Nguyễn Anh Duy
Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn
tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học Đà Nẵng vào ngày
07 tháng 05 năm 2011.
* Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
- 2 -
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các ngành cơng
nghệ thơng tin, điện tử viễn thơng, tự động hĩa… đã cĩ một bước
tiến rất lớn, nhiều cơng trình khoa học, các sản phẩm được ra đời
nhằm đáp ứng nhu cầu của con người như: máy rút tiền tự động
(ATM), thiết bị nhận dạng vân tay, robot giúp việc nhà, người máy
Asimo cĩ khả năng giao tiếp giống như người …
Để nâng cao chất lượng điều khiển đối với hệ thống tay máy
robot và các bộ dẫn động thì cĩ nhiều cách khác nhau, xác định hệ
dẫn động, mơ hình tốn học của bộ dẫn động và thiết kế bộ điều
khiển PID mờ cho hệ dẫn động theo yêu cầu điều khiển tay máy
robot quĩ đạo, xem tay máy robot như là đối tượng chấp hành, sau đĩ
mơ phỏng hệ thống và tiến hành hiệu chỉnh các thơng số của bộ điều
khiển để đạt được yêu cầu đặt ra. Với lý do đĩ tơi chọn đề tài
“THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ CHO TAY MÁY 3
BẬC TỰ DO” để làm đề tài nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về tay máy và lý thuyết mờ
- Thiết kế bộ điều khiển cho tay máy 3 bậc tự do
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu mơ hình tay máy 3 bậc tự do
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật tốn điều khiển
- Mơ hình hĩa và mơ phỏng để kiểm tra các thuật tốn và
kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu trên matlab simulink
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Về khoa học: Việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID
Mờ để điều khiển và nâng cao chất lượng, tăng độ mềm dẻo và độ
- 3 -
linh hoạt của bộ truyền động trong các dây chuyền sản xuất, cụ thể
điều khiển tay máy 3 bậc tự do là một vấn đề cĩ ý nghĩa cao về
khoa học
Về thực tiễn: Việc tích hợp điều khiển PID Mờ vào vi điều
khiển mở ra triển vọng mới trong việc khai thác, áp dụng cho các hệ
thống điều khiển trong cơng nghiệp để thay đổi cơng nghệ sản xuất
cũ bằng việc tự động hĩa điểu khiển và khai thác triệt để năng lực,
giảm vốn đầu tư, nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển, đưa lại
nhiều hơn các sản phẩm chất lượng tốt với giá thành thấp và cạnh
tranh hơn.
6. Cấu trúc luận văn
Luận văn cĩ phần mở đầu giới thiệu về nội dung, mục lục, danh
mục các bảng, hình vẽ, kết luận và kiến nghị và bao gồm 5 chương
được nghiên cứu cụ thể:
Chương 1: Tổng quan về Robot cơng nghiệp và tay máy
Chương 2: Tổng quan về điều khiển PID và điều khiển Mờ
Chương 3: Xây dựng mơ hình tốn học của tay máy 3 bậc tự do
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển PID Mờ điều khiển tay máy
3 bậc tự do
Chương 5: Mơ phỏng và đánh giá kết quả
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ROBOT CƠNG NGHIỆP VÀ
TAY MÁY
1.1. Lịch sử phát triển của robot cơng nghiệp
1.1.1. Sơ lược về quá trình phát triển
1.1.2. Robot cơng nghệ cấp cao
1.2. Ứng dụng robot trong sản xuất
1.3. Các khái niệm và định nghĩa về robot cơng nghiệp
1.3.1. Định nghĩa về Robot cơng nghiệp
- 4 -
1.3.2. Các khái niệm
1.3.2.1. Bậc tự do của robot
1.3.2.2. Hệ tọa độ
1.3.2.3. Trường cơng tác của robot
1.4. Phân loại robot cơng nghiệp
1.4.1. Phân loại theo kết cấu
1.4.2. Phân loại theo hệ thống truyền động
1.4.3. Phân loại theo ứng dụng
1.4.4. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp
điều khiển
Robot cĩ thể được điều khiển bằng các hệ truyền động như:
truyền đồng điện, truyền động thuỷ lực, truyền động thuỷ khí, ...
1.5 . Cấu trúc cơ bản của robot cơng nghiệp
1.5.1. Các thành phần chính của Robot cơng nghiệp
1.5.2. Kết cấu của tay máy
1.6 . Kết luận Chương 1
Cho đến nay robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
kinh tế, khoa học kỹ thuật và cơng nghệ. Đặc biệt robot tay máy với
các cơ cấu 2 và 3 bậc tự do được sử dụng rộng rãi trong cơng nghệp
điện tử với độ chính xác cao như hệ thống quay ra đa, điều chỉnh tầm
và hướng pháo cao xạ, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất…với
ưu điểm là cĩ tính chính xác và độ ổn định cao chính vì thế việc
thơng minh hĩa các hệ thống điều khiển này đang được nhiều nhà
khoa học quan tâm nghiên cứu
- 5 -
Chương 2 - TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ PID MỜ
2.1. Lịch sử phát triển
2.2. Điều khiển mờ
2.2.1. Sơ đồ của hệ thống điều khiển mờ
Hợp thành
(Inference Mechanism)
Giải mờ
(Defuzzifiers)
Luật mờ
(Rule-base)
Đầu vào
x
Đầu ra
y
Khối mờ hĩa
(Fuzzifiers)
Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ
2.2.1.1. Khối mờ hố
Biến đổi các giá trị rõ đầu vào thành một miền giá trị mờ với
hàm thuộc đã chọn ứng với biến ngơn ngữ đầu vào.
2.2.1.2. Khối hợp thành (Inference Mechanism)
Biến đổi các giá trị mờ hố của biến ngơn ngữ đầu vào thành
các giá trị mờ của biến ngơn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành.
2.2.1.3. Khối luật mờ (Rule-base)
Gồm tập các luật “Nếu...Thì...” dựa vào các luật mờ cơ sở do
người thiết kế xây dựng thích hợp cho từng biến và giá trị của các
biến ngơn ngữ theo quan hệ mờ Vào/Ra.
2.2.1.4. Khối giải mờ (Defuzzifier)
Biến đổi các giá trị mờ đầu ra thành các giá trị rõ để điều
khiển đối tượng.
- 6 -
2.2.2. Phân loại điều khiển mờ
2.2.3. Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển mờ
2.3. Hệ điều khiển mờ nâng cao
2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi mờ
2.3.2. Hệ điều khiển mờ lai PID
Là hệ thống điều khiển tự động trong đĩ thiết bị điều khiển
gồm 2 thành phần: Thiết bị điều khiển rõ và thiết bị điều khiển mờ
Với hệ kết hợp này cĩ: Hệ điều khiển mờ lai kinh điển và Bộ
điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
2.3.2.1. Hệ điều khiển mờ lai kinh điển
2.3.2.2. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
2.4. Kết luận chương 2
Việc áp dụng lơgic mờ đã cho tạo ra các bộ điều khiển mờ, mờ
lai, ... với những tính chất khá tốt nhằm đáp ứng yêu cầu trong điều
khiển tự động, ví dụ điều khiển các đối tượng phức tạp. Ngồi ra, các bộ
điều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ điều khiển kinh
điển. Thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa dạng, qua việc tổ chức các
nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngơn ngữ cho phép
người ta thiết kế các bộ điều khiển mờ khác nhau.
Chương 3 - XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA
TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO
3.1. Các phương thức điều khiển cánh tay Robot
3.1.1. Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn
3.1.2. Điều khiển lặp lại
3.1.2.1. Phương pháp điều khiển thep quỹ đạo
Điều khiển kiểu điểm - điểm
3.1.3. Điều khiển kiểu Robot thơng minh
- 7 -
3.2. Sơ đồ động học cánh tay Robot 3 bậc tự do
Phạm vi đề tài tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển cánh
tay robot 3 bậc chuyển động quay (QQQ)
Điều khiển cánh tay máy ba khâu như hình vẽ 3.1 với các
thơng số của cánh tay cho ở bảng 3.2
Hình 3.2: Sơ đồ cánh tay Robot 3DOF
Bảng 3.2: Thơng số vật lý của cánh tay robot 3DOF
Thơng số Ký hiệu Giá trị
Đơn vị
tính
Bán kính khâu 1 R1 0,2 m
Chiều dài khâu 1 l1 0,2 m
Chiều dài khâu 2 l2 0,3 m
Chiều dài khâu 3 l3 0,4 m
Khối lượng khâu 1 m1 7 kg
Khối lượng khâu 2 m2 3 kg
Khối lượng khâu 3 m3 2 kg
Khoảng cách đến trọng tâm khâu 1 d1 0,08 m
Khoảng cách đến trọng tâm khâu 2 d2 0,13 m
Khoảng cách đến trọng tâm khâu 3 d3 0,17 m
Gia tốc trọng trường g 9,81 m/s2
Y0 ≡
X0 ≡ X1
Z0 ≡
ϕ2
ϕ3
ϕ1
ri
Z i
X
Y i
Z
Z
l2
0
l3
I
II
III
- 8 -
3.2.1. Các phương trình động học của cánh tay Robot 3 DOF
3.2.1.1. Vận tốc của chuyển động thứ i
3.2.1.2. Gia tốc của chuyển động thứ i
3.2.2. Thành lập phương trình động lực học của tay máy 3 DOF
3.2.2.1. Động năng của tay máy 3 DOF
321 WWWW ++=
Với Wi là động năng của các khớp 1,2,3 được tính ở (2.33)
3.2.2.2. Tính thế năng của tay máy 3 DOF
321 PPPP ++=
)]sin(dsinlg[lm)sind-g(lmgdm 2332213221211 ϕϕϕϕ −−+++=
3.2.3. Mơ tả tốn học tay máy 3 DOF bằng phương trình vi phân
3.2.3.1. Thành lập hàm Lagrange
3.2.3.2. Mơ tả hệ bằng phương trình Lagrange bậc hai
3.2.4. Mơ tả hệ tay máy 3DOF bằng phương trình trạng thái
Các moomen của các khớp tay mấy lần lượt là Q1, Q2, Q3 được
tính ở (3.56)
Trong đĩ:
2
3113
2
21123211331112211111 HHNNNK ϕϕϕϕϕϕϕϕ &&&&&&&& ++++=
2
2
3213
2
2212
2
121132213312122 GHHHNNK +++++= ϕϕϕϕϕϕϕ &&&&&&&
3
2
3313
2
2312
2
1311313123 GHHHNK ++++= ϕϕϕϕϕ &&&&&
3.2.4.1. Các biến trạng thái và phương trình trạng thái
Đặt các biến trạng thái cho các khớp quay X1, X2, X3 đặt ở
(3.57)
Đặt các tín hiệu vào tay máy: u1, u2, u3 cĩ ở (3.58)
Phương trình trạng thái cho chuyển động I, II, III được mơ tả:
(3.59), (3.60), (3.61)
3.2.4.2. Phương trình trạng thái khớp quay
Với 11x& 21x& 31x& được mơ tả ở (3.64), (3.65),( 3.66)
- 9 -
3.3. Kết luận chương 3
- Hoạt động của tay máy robot ba khớp trong khơng gian là
việc kết hợp chuyển động riêng của ba khớp lại với nhau.
- Tay máy hoạt động luơn cĩ sự thay đổi về tốc độ nên thơng
số động học của tay máy cũng thay đổi theo, chịu ảnh hưởng của
các thơng số bên ngồi làm cho sai lệch lớn hơn
- Với các phương trình trạng thái các khớp của tay máy ba
bậc trên ta thấy được tay máy ba bậc là hệ cĩ tính phi tuyến mạnh.
Chương 4 – THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ
ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO
4.1 . Tổng hợp hệ điều khiển PID cho cánh tay Robot 3 bậc tự do
4.1.1. Thuật tốn điều khiển tỉ lệ (P) cĩ phản hồi tốc độ và điều
khiển PD
4.1.2. Thuật tốn điều khiển PD cĩ bù gia tốc trọng trường
4.1.3. Thuật tốn điều khiển PID
4.1.4. Nhận xét chung
4.2. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí PID cho động cơ điện một
chiều
Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp
điều khiển vị trí động cơ theo ba vịng kín sau:
- Vịng trong cùng điều chỉnh dịng điện
- Vịng thứ hai điều chỉnh tốc độ động cơ
- Vịng ngồi cùng điều chỉnh vị trí
4.2.1. Các thơng số ban đầu
4.2.1.1. Động cơ điện một chiều
- 10 -
Bảng 4.1: Các thơng số của động cơ điện một chiều
Thơng số Ký hiệu Giá trị Đơn vị tính
Cơng suất danh định Pđm 220 W
Tốc độ định mức nđm 3000 v/ph
Điện áp định mức Uđm 100 V
Dịng điện định mức Iđm 2 A
Moment quán tính J1 0,00092 kg.m2
Hằng số sức phản điện
động
Kb 0,247 V.s/rad
Hằng số từ thơng động
cơ
Ka 0,284 N.m/A
Điện trở phần ứng Ra 1,8 Ω
Điện cảm phần ứng La 0,0049 H
Hệ số ma sát Fm 0,055 Nm
4.2.1.2. Bộ chỉnh lưu
Hàm truyền của bộ chỉnh lưu cĩ dạng:
cl
s cl cl cl
cl cl 2 3 kT s
cl cl cl cl cl
K K KW (s) K .e
T s (T s) (T s) (T s)e T s 11 ...
1! 2! 3! k!
−τ
= = = ≈
+
+ + + + +
4.2.1.3. Biến dịng
Hàm truyền bộ biến dịng là: i
i
i
KW
Ts 1
=
+
4.2.1.4. Máy phát tốc
Hàm truyền của máy phát tốc cĩ dạng: ftft
ft
KW
T s 1
=
+
- 11 -
4.2.1.5. Cảm biến vị trí
Hàm truyền của cảm biến vị trí cĩ dạng:
1+
=
sT
KW
vt
vt
vt
4.2.2. Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh dịng (RI)
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul
Ta cĩ hàm truyền của bộ điều chỉnh dịng điện:
Ri(p) = u
si
cl i
1 pT
T2pK K
Ru
+ =
+
usiicl
u
pT
11.
.T.K2K
RT
Ri(p) = KpI + KiI/p ; Ri(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI)
4.2.3. Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh tốc độ ( Rω )
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul
Rω(p) =
p)τp(1.2τ)p.T.p.(1.T.CK
R.K
1
σσ
sωcu1
ω +
+
Với Rω(p) =
sωω
cui
.2.TR.K
.T.CK
Vậy Rω là khâu tỷ lệ (P)
4.2.4. Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh vị trí ( ϕR )
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul:
( )r vt
s vt
1R (p) =
1 pK .K
.2 p.
K .p (1 2 p.T ) 1 T p
ϕ
σ
σ
ω ω
+ τ
τ
+ +
- 12 -
Ta cĩ:
s
r vt vt
KR (p) = (1 + 2T p)
K .K .2T
ω
ϕ ω
Rϕ = KϕP + KϕD . p
Rϕ là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD)
4.3. Xây dựng hệ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều
khiển PID để điều chỉnh cánh tay Robot 3DOF
4.3.1. Đặt vấn đề
4.3.2. Tổng hợp mơ hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham
số PID
Bộ điều khiển mờ cần 2 ngõ vào và 2 ngõ ra.
Hai ngõ vào (input) là sai lệch vị trí gĩc (et) và đạo hàm của
sai lệch vị trí gĩc (det) của khớp 1 và 2.
Hai ngõ ra (output) là tín hiệu điều khiển Hesokp và Hesokd
(đã chuẩn hĩa) cho bộ PD
4.3.2.1. Biến ngơn ngữ và miền giá trị của nĩ
Miền giá trị của biến đầu vào (sai lệch ) được chọn là:
et1 = {-3,14 3,14}; (đơn vị tính: rad)
et2 = {-3,14 3,14}; (đơn vị tính: rad)
Miền giá trị của biến đầu vào đạo hàm của sai lệch det được
chọn là:
det1 = et1 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s)
det2 = et2 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s)
Miền giá trị của biến đầu ra HesoHesokp và HesoHesokd được
chuẩn hĩa là:
Hesokp = Hesokd = {0, 1}
4.3.2.2. Xác định hàm liên thuộc
- 13 -
4.3.2.3. Xây dựng các luật điều khiển
4.3.2.4. Luật hợp thành
4.4. Kết luận chương 4
- Việc áp dụng lơ-gic mờ đã cho tạo ra các bộ điều khiển mờ,
mờ lai, ... với những tính chất khá tốt nhằm đáp ứng yêu cầu trong
điều khiển tự động, ví dụ điều khiển các đối tượng phức tạp. Ngồi
ra, các bộ điều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ
điều khiển kinh điển. Việc thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa
dạng, qua việc tổ chức các nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho
các biến ngơn ngữ cho phép người ta thiết kế các bộ điều khiển mờ
khác nhau.
- 14 -
Chương 5 – MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU KIỂN PID MỜ
5.1. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng bộ điều khiển PID
5.1.1. Mơ hình simulink của hệ thống
Hình 5.1: Mơ hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
- 15 -
5.1.2. Kết quả mơ phỏng hệ thống điều khiển tay máy ba bậc tự
do khi dùng bộ điều khiển PID
Khi vị trí đặt gĩc quay cĩ dạng y= 0.15Sin(0.025t) đưa vào
hệ thống điều khiển như hình 5.1 ta cĩ kết quả mơ phỏng như sau:
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0.01
Sai lech quy dao RoBot
Thoi gian [s]
Sa
i l
e
ch
Hình 5.6: Đồ thị sai lệch quỹ đạo khi dùng PID
Đồ thị của khớp quay 1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Do thi goc quay khop 1
Thoi gian [s]
G
oc
qu
ay
[ra
d]
Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x 10-3 Sai lech goc quay khop 1
Thoi gian [s]
G
oc
qu
a
y
[ra
d]
Hình 5.7 Hình 5.8
- 16 -
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.05
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Toc do sai lech goc quay khop 1
Thoi gian [s]
To
c
do
sa
i le
ch
[ra
d/
s]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-15
-10
-5
0
5
10
15
Toc do Dong Co khop 1
Thoi gian [s]
To
c
do
qu
a
y
[ra
d/
s]
Hình 5.9 Hình 5.10
Đồ thị của khớp quay 2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Do thi goc quay khop 2
Thoi gian [s]
G
o
c
qu
a
y
[ra
d]
Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
Sai lech goc quay khop 2
Thoi gian [s]
G
o
c
qu
ay
[ra
d]
Hình 5.11 Hình 5.12
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
Toc do sai lech goc quay khop 2
Thoi gian [s]
To
c
do
sa
i l
ec
h
[ra
d/
s]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
Toc do Dong Co khop 2
Thoi gian [s]
To
c
do
qu
ay
[ra
d/
s]
Hình 5.13 Hình 5.14
- 17 -
Đồ thị của khớp quay 3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Do thi goc quay khop 3
Thoi gian [s]
G
o
c
qu
ay
[ra
d]
Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
x 10-3 Sai lech goc quay khop 3
Thoi gian [s]
G
o
c
qu
a
y
[ra
d]
Hình 5.15 Hình 5.16
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
Toc do sai lech goc quay khop 3
Thoi gian [s]
To
c
do
sa
i l
ec
h
[ra
d/
s]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Toc do Dong Co khop 3
Thoi gian [s]
To
c
do
qu
ay
[ra
d/
s]
Hình 5.17 Hình 5.18
Từ đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực di chuyển của cánh
tay Robot, đồ thị sai lệch quỹ đạo, ta nhận thấy rằng:
+ Tại thời điểm ban đầu khi khởi động đến 1 giây cánh tay
dao động với sai lệch (khoảng 0,009)
+ Trong khoảng thời gian từ 0s đến 3s là khoảng thời gian
cánh tay Robot di chuyển với dao động giảm của vị trí đầu đến quỹ
đạo tương ứng cánh tay máy di chuyển nên sai lệch so với quỹ đạo
đặt (khoảng 0,0025).
+ Tại t=10s sai lệch bằng 0, đến 20s, do cĩ sự thay đổi
đường đi quỹ đạo, làm thay đổi chiều quay các khớp của tay máy,
nên dẫn đến sự dao động của tín hiệu trước khi xác lập. Tuy nhiên,
- 18 -
biên độ dao động của tín hiệu quỹ đạo đầu ra rất nhỏ, và sai số xác
lập cũng nhỏ (nhỏ hơn 0,002)
5.2. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng bộ điều khiển mờ
chỉnh định tham số bộ PID
5.2.1. Mơ hình simulink hệ thống bộ điều khiển mờ (Fuzzy
logic)
- 19 -
Hình 5.19: Mơ hình hệ thống điều khiển sử dụng
bộ điều khiển Fuzzy
- 20 -
5.2.2. Kết quả mơ phỏng hệ thống điều khiển tay máy ba bậc tự
do dùng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
Khi vị trí đặt gĩc quay cĩ dạng y= 0.15Sin(0.025t) đưa vào
hệ thống điều khiển như hình 5.19 ta cĩ kết quả mơ phỏng như sau:
Kết quả về sai lệch quỹ đạo thực của tay máy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
x 10-3 Sai lech quy dao thuc RoBot
Thoi gian [s]
Sa
i l
ec
h[m
]
Hình 5.21: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID Fuzzy
Đồ thị của khớp quay 1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Do thi goc quay khop 1
Thoi gian [s]
G
o
c
qu
a
y
[ra
d]
Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-4
-2
0
2
4
6
8
x 10-3 Sai lech goc quay khop 1
Thoi gian [s]
G
o
c
qu
a
y
[ra
d]
Hình 5.22 Hình 5.23
- 21 -
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.05
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Toc do sai lech goc quay khop 1
Thoi gian [s]
To
c
do
sa
i l
ec
h
[ra
d/
s]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-15
-10
-5
0
5
10
15
Toc do Dong Co khop 1
Thoi gian [s]
To
c
do
qu
ay
[ra
d/
s]
Hình 5.24 Hình 5.25
Đồ thị của khớp quay 2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Do thi goc quay khop 2
Thoi gian [s]
G
oc
qu
ay
[ra
d]
Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
Sai lech goc quay khop 2
Thoi gian [s]
G
o
c
qu
ay
[ra
d]
Hình 5.26 Hình 5.27
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
Toc do sai lech goc quay khop 2
Thoi gian [s]
To
c
do
sa
i l
ec
h
[ra
d/
s]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
Toc do Dong Co khop 2
Thoi gian [s]
To
c
do
qu
ay
[ra
d/
s]
Hình 5.28 Hình 5.29
- 22 -
Đồ thị của khớp quay 3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Do thi goc quay khop 3
Thoi gian [s]
G
oc
qu
ay
[ra
d]
Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
x 10-3 Sai lech goc quay khop 3
Thoi gian [s]
G
oc
qu
a
y
[ra
d]
Hình 5.30 Hình 5.31
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
Toc do sai lech goc quay khop 3
Thoi gian [s]
To
c
do
sa
i l
ec
h
[ra
d/
s]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Toc do Dong Co khop 3
Thoi gian [s]
To
c
do
qu
a
y
[ra
d/
s]
Hình 5.32 Hình 5.33
Từ đồ thị ta thấy việc so sánh hai sai lệch quỹ đạo khi dùng
PID và dùng bộ mờ chỉnh định các tham số bộ điều khiển PID, ta
thấy rằng độ sai lệch quỹ đạo ở cả hai trường hợp gần bằng nhau.
Tuy nhiên biên độ dao động ở các thời gian quá độ ở bộ chỉnh định
mờ giảm so với bộ điều khiển PID, và thời gian tín hiệu sai lệch về
khơng nhanh hơn.
5.3. Kết luận chương 5
- Sai lệch tốc độ trong quá trình chuyển động của cánh tay
Robot so với tốc độ của quỹ đạo đặt là tốt (gần bằng 0) so với khi
dùng bộ PID. Biên độ dao động tại các thời điểm quá độ và sai lệch
quỹ đạo được giảm.
- 23 -
- Khi chọn các tập giá trị mờ và luật điều khiển thích hợp thì
luật điều khiển mờ giúp cho hệ đạt được độ chính xác khá cao, ngay
cả với giá trị đặt rất nhỏ.
- Hệ thống mơ phỏng đã được xét các trường hợp cánh tay
Robot mang các phụ tải khác nhau, điều đĩ càng chứng tỏ tính bền
vững cao của hệ điều khiển.
Như vậy hệ thống làm việc ở chế độ khơng tải hoặc cĩ tải,
bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID đảm bảo được chất
lượng tĩnh và động tốt hơn khi dùng bộ điều khiển PID kinh điển.
- 24 -
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
- Việc xây dựng bộ điều khiển cho các đối tượng cĩ tính phi
tuyến cao là rất cần thiết trong lĩnh vực tự động hĩa và các quá trình
cơng nghiệp như hiện nay, tay máy robot là đối tượng cĩ tính phi
tuyến cao, đặc biệt là các tay máy cĩ nhiều bậc tự do khác nhau,
chính vì thế việc kết hợp và ứng dụng các phương pháp điều khiển
hiện đại khác nhau là cần thiết cho các đối tượng khi cĩ tính phi
tuyến mạnh hoặc biến đổi lớn trong bản luận văn này đã nghiên cứu
xây dựng và đạt được các kết quả:
- Tổng quan về tay máy và robot cơng nghiệp, là robot ba bậc
tự do, lý thuyết về điều khiển mờ. Tính tốn và thiết kế bộ điều khiển
kinh điển PID cho hệ dẫn động của tay máy ba bậc tự do, nghiên cứu
thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định các tham số bộ điều khiển PID để
điều khiển quá trình chuyển động của tay máy di chuyển trong quỹ
đạo đặt trước. Thiết kế chương trình mơ phỏng trên simulink cho các
kết quả quỹ đạo, sai lệch quỹ đạo, sai lệch tốc độ, tốc độ, và sai lệch
quỹ động tổng của tay máy cĩ kết quả đáp ứng tốt. Với các kết quả
này giúp cho việc khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh nâng cao chất
lượng hệ thống điều khiển cánh tay robot được tốt hơn.
- Luận văn cũng đã nghiên cứu lựa chọn bộ điều khiển mờ
với các thơng số nhằm chỉnh định cho các tham số của bộ điều khiển
PID được lựa chọn phù hợp để nâng cao chất lượng điều khiển của
cánh tay Robot chuyển động theo quỹ đạo đặt trước, giúp cho việc
tạo ra các quỹ đạo đáp ứng thực tốt, với hệ thống điều khiển này chất
lượng bám theo quỹ đạo của cánh tay Robot được nâng lên nhiều so
với hệ điều khiển PID kinh điển, với kết quả mơ phỏng cho ta thấy
được giảm biên độ dao động ở các thời điểm quá độ giảm sai lệch
- 25 -
quỹ đạo thực so với quỹ đạo đặt nhỏ hơn 0.97 % so với 1,02% của
bộ điều khiển PID, giảm sai lệch của gĩc quay và tốc độ của chuyển
động về gần bằng 0.
- Khi thực hiện việc thiết kế bộ điều khiển mờ cho các đối
tượng khơng phụ thuộc vào đặc điểm mơ hình của đối tượng, chính
vì thế quá trình xây dựng nên các bộ điều khiển mờ với các nguyên
tắc điều khiển cho các đối tượng cĩ đặc tính khác nhau là hồn tồn
giống nhau.
2. KIẾN NGHỊ
Việc xây dựng và nghiên cứu bộ điều khiển cho tay máy ba
bậc với điều kiện về thời gian, cơ sở vật chất hạn chế khơng cho
phép nên luận văn chỉ dừng lại ở phần xây dựng lý thuyết và kết quả
mơ phỏng trên phần mêm Matlab simulink. Chưa làm trên mơ hình
thực tế của tay máy robot ba bậc tự do sử dụng bộ điều khiển mờ tích
hợp để điều khiển, đây cũng chính là phần cịn hạn chế mà luận văn
chưa thể hồn thiện được. Tuy nhiên kết quả mơ phỏng trên simulink
cũng đã kiểm chứng và cho thấy tính đúng đắn của đề tài cần nghiên
cứu. Để phát triển hơn nữa cĩ thể tiến hành nghiên cứu thiết kế chế
tạo mơ hình tay máy ba bậc tự do dùng bộ điều khiển mờ tích hợp để
điều khiển thì bản luận văn sẽ hồn thiện hơn.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- tomtat_4__9235.pdf